CN109580133B - 基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用，其中，液体泄漏检测传感器，包括：敏感元件，用于感应泄漏的液体，液体在所述敏感元件的表面，与所述敏感元件的表面发生摩擦产生电荷；导电电极，设置在所述敏感元件上，并接地，用于传导所述电荷，产生电信号。本发明是基于单电极摩擦纳米发电机的原理，通过检测仪是否有检测到电信号（电流、电压）来判断是否发生液体泄漏，不同液体的电信号特征可用于识别液体种类。本液体泄漏检测传感器对极微量液体泄露也能够产生响应，响应速度快，并且无需供能模块。

Description

基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用

技术领域

本发明涉及液体泄漏检测、环保与监测领域，尤其涉及基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用。

背景技术

液体泄漏检测广泛应用于石油、化学和城市供水、环境监测等行业领域。每年，由于液体泄漏造成的经济损失达数百亿元，液体泄漏、特别是毒性液体泄漏造成的人员伤害、仪器设备损伤和环境损失价值更是无法评估。液体泄漏检测对于经济发展和环境保护有着非常重大的意义。

目前，传统的基于硬件的液体泄露检测方法主要使用超声波传感器、光纤传感器、红外传感器、超声波流量计和土壤检测传感器实现液体输送管网泄露的检测。主要监控管道内部参数，包括温度、压力、粘度、流速、流量变化等数据判断管道是否发生液体泄露。然而，这些泄露检测传感器需要复杂的分布式供能系统，这限制了在某些复杂环境下液体泄露检测的应用，增加了液体泄露检测的难度。此外，目前使用的液体泄露检测传感器对于极微量的液体泄露不敏感。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用，旨在解决现有的泄露检测传感器需要复杂的分布式供能系统、并且对于极微量的液体泄露不敏感的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器，包括：

敏感元件，用于感应泄漏的液体，液体在所述敏感元件的表面，与所述敏感元件的表面发生摩擦产生电荷；

导电电极，设置在所述敏感元件上，并接地，用于传导所述电荷，产生电信号。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述敏感元件由不同于所述导电电极的材料制作而成。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述敏感元件由半导体材料、导体材料或绝缘体材料制作而成。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述半导体材料为半导体硅、或二维半导体材料。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述导电电极为通过物理沉积或化学沉积的方法沉积在所述敏感元件上。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述导电电极通过导电胶带粘贴在所述敏感元件上。

所述的液体泄漏检测传感器，其中，所述敏感元件与所述导电电极采用相同的材料制作而成，并一体化成型。

一种如上所述的液体泄漏检测传感器的应用，将所述液体泄漏检测传感器布置在待监测对象下方，所述敏感元件正对所述待监测对象易于发生液体泄露的部位，通过所述检测仪是否有检测到电信号来判断是否发生液体泄漏。

所述的应用，其中，若所述检测仪检测到电信号，还利用所述电信号来判断液体泄漏速度以及泄漏液体的种类。

所述的应用，其中，所述待监测对象易于发生液体泄露的部位为阀门、连接法兰和连接头中的一种或多种。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的液体泄漏检测传感器，是基于单电极摩擦纳米发电机的原理，泄露液体滴落在敏感元件上时，随着液体的流动（波动）和扩散，敏感元件和液体之间由于摩擦起电和静电感应的耦合，导电电极会与地之间产生一个电势差，电势差驱动电荷在大地和电极之间流动产生电信号，通过检测仪是否有检测到电信号（电流、电压）来判断是否发生液体泄漏。本液体泄漏检测传感器对极微量液体泄露也能够产生响应，响应速度快，并且无需供能模块。

附图说明

图1为本发明的一种液体泄漏检测传感器的实施例的结构及工作示意图。

图2为本发明的液体泄漏检测传感器的一种应用示意图。

图3为无水乙醇泄露时，本发明基于半导体硅片为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图4为质量浓度为15%的NaCl泄露时，本发明基于半导体硅片为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图5为自来水泄露时，本发明基于半导体硅片为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图6为丙酮泄露时，本发明基于半导体硅片为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图7为自来水泄露时，本发明基于铜片为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图8为自来水泄露时，本发明基于聚四氟乙烯（PTFE）为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

图9为无水乙醇泄露时，本发明基于聚四氟乙烯（PTFE）为敏感元件的液体泄漏检测传感器检测到的电流信号。

具体实施方式

本发明提供了一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器的较佳实施例，结构与原理如图1所示，包括：敏感元件2、导电电极3，泄漏的液体1滴落在敏感元件的表面时，随着液体的流动（波动）和扩散，敏感元件2和液体之间由于摩擦起电和静电感应的耦合，导电电极3会与地之间产生一个电势差，电势差驱动电荷在电极与地（参考电位）之间流动产生电信号，并被检测仪4检测出来。具体的，检测仪4可采用万用表、静电计等仪表。

本发明可根据检测仪是否有检测到电信号来判断是否发生液体泄漏。本液体泄漏检测传感器对极微量液体泄露也能够产生响应，响应速度快，并且无需供能模块。

具体应用时，敏感元件可以采用半导体材料（例如石墨烯之类的二维半导体材料、半导体硅片等）、绝缘材料（例如PTFE等高分子聚合物）或导体材料（例如铜、不锈钢等），也就是说，本发明的敏感元件所用的材料无限定，可根据实际情况，结合材料的强度、韧性、抗腐蚀性等进行选择，然后在敏感元件上制作导电电极，制作方法包括物理沉积或化学沉积的方法，进一步的，还可以通过导电胶带将导电电极（热压）粘贴在所述敏感元件的表面上。

优选的更加简易的结构是，敏感元件与导电电极采用相同的导体材料制作而成，并一体化成型。即敏感元件本身还充当导电电极。

本发明还提供了一种如上所述的液体泄漏检测传感器的应用，如图2所示，将液体泄漏检测传感器布置在待监测对象（例如管线、乘有液体的容器等）下方，其中，敏感元件正对待监测对象易于发生液体泄露的部位，例如阀门、连接法兰和连接头等。图中，在阀门5和法兰6的正下方均设置有液体泄漏检测传感器。可通过所述检测仪4是否有检测到电信号来判断是否发生液体泄漏。

若检测仪检测到电信号，本发明还可进一步利用具体的电信号来判断液体泄漏速度以及泄漏液体的种类。由于每一滴液滴的滴落会产生一个脉冲电流信号，通过检测电信号的频率即可判断液体泄露的速率，泄露速率可以为是否需要对液体输运系统采取修补措施提供信息支撑；由于不同液体的电导率和润湿性不同，其滴落在敏感元件产生的电信号大小存在明显差别，通过检测电信号大小可以识别泄露液体种类，可以用于多个液体输运管平行布置输运酸碱等液体时识别发生泄露的是哪路管道。

下面通过实验测试对本发明进行详细说明。

以p型硅片（厚度：525 um, 电阻率: < 0.0015 Ω cm）为敏感材料，模拟无水乙醇、质量浓度为15%的氯化钠溶液、自来水和丙酮溶液发生泄露，通过检测传感器的响应信号来证明本发明的基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器的性能。

液体泄露模拟实验的环境为：湿度：60±2%，温度：25±0.2℃。使用慧宇公司BT100J-1A型号蠕动泵来模拟液体泄露过程，蠕动泵液体管内径为1.6 mm，滴落高度为7mm，滴落速度为0.5 ml/min，利用吉时利公司6517B静电计测试输出电流信号，静电计有2个接线端，一端接传感器的电极，另一端接地。

传感器信号采集：开启静电计及数据记录软件，根据标定结果，调节蠕动泵转速，将流速控制在0.5 ml/min，记录液体滴落在传感器时的电流信号。无水乙醇、质量浓度为15%的氯化钠溶液、自来水和丙酮溶液滴落在传感器敏感元件上时记录的电流信号如图3、4、5和图6所示，液体滴落时会产生脉冲电流信号。

如图3所示，当乙醇滴落时，产生的脉冲电流大小不一，最大脉冲电流+200 nA左右，其余电流值在+50 ~ +150 nA范围内。

如图4所示，当质量浓度为15%的氯化钠溶液滴落在传感器敏感元件上时，产生正负电流信号，正负电流的最大绝对值均在200~210 nA范围内，在0~ ±50 nA范围内也可以观察到有些脉冲电流信号。

图5为自来水滴落在传感器敏感元件上时产生的电流信号，可以看到产生的电流信号稳定，基本在+210 ~ +220 nA之间。

图6为丙酮溶液滴落在传感器敏感元件上时产生的电流信号，可以看到丙酮溶液的响应电流方向与自来水的相应电流相反，电流信号的大小在-30 ~ -100 nA范围内。

同时为了说明敏感元件可以采用不同的材料，本发明还提供了铜片、聚四氟乙烯的测试实验，实验结果如图7-图9所示。根据本发明的实验结果及本发明的检测原理，本领域技术人员可以预测到，采用其他半导体、导体、绝缘材料作为敏感元件也能够实现本发明的技术效果，本发明不再赘述。

上述测试可以证明本发明的传感器具有如下功能：（1）可根据是否产生电信号判断是否发生液体泄漏；（2）可根据电信号的特征（大小、正负）判断泄漏的液体的种类；（3）可根据电信号的频率信息来判断液体泄漏的速度。

综上所述，本发明提供了一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器及应用，本发明是基于单电极摩擦纳米发电机的原理，泄露液体滴落在敏感元件上时，随着液体的流动（波动）和扩散，敏感元件和液体之间由于摩擦起电和静电感应的耦合，导电电极会与地之间产生一个电势差，通过检测仪是否有检测到电信号（电流、电压）来判断是否发生液体泄漏。本液体泄漏检测传感器对极微量液体泄露也能够产生响应，响应速度快，并且无需供能模块，此外，本发明还能够具体的电信号信息判断泄漏液体的种类及泄漏的速度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于单电极摩擦纳米发电机的液体泄漏检测传感器的应用，其特征在于，所述液体泄漏检测传感器包括：

敏感元件，用于感应泄漏的液体，液体滴落在所述敏感元件的表面，与所述敏感元件的表面发生摩擦产生电荷；

导电电极，设置在所述敏感元件上，并接地，用于传导所述电荷，产生电信号；

所述敏感元件由半导体材料、导体材料制作而成；所述半导体材料为半导体硅、或二维半导体材料；

将所述液体泄漏检测传感器布置在待监测对象下方，所述敏感元件正对所述待监测对象易于发生液体泄露的部位，所述液体泄漏检测传感器的导电电极与地之间设置有用于检测所述电信号的检测仪，通过所述检测仪是否有检测到电信号来判断是否发生液体泄漏；

所述电信号为多个脉冲电流信号；

若所述检测仪检测到电信号，还利用所述电信号来判断液体泄漏速度以及泄漏液体的种类，根据电信号的频率信息判断液体泄露的速率，根据电信号的特征判断泄漏的液体的种类；

所述电信号的特征包括电信号的电流大小和电流正负性；

所述待监测对象易于发生液体泄露的部位为阀门、连接法兰和连接头中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述敏感元件由不同于所述导电电极的材料制作而成。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述导电电极为通过物理沉积或化学沉积的方法沉积在所述敏感元件上。

4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述导电电极通过导电胶带粘贴在所述敏感元件上。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述敏感元件与所述导电电极采用相同的材料制作而成，并一体化成型。

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